Experimentelle Analyse nichtlinearer Schwingungstilger mittels Echtzeit-Hybrid-Simulation

Die Beherrschung mechanischer Schwingungen ist entscheidend für Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Lebensdauer moderner technischer Systeme. Bei unerwünschten Schwingungen habensich neben klassischen Strategien wie Systemverstimmung, Dämpfung und Isolierung vor allem Schwingungstilger als wirkungsvolles Mittel zur Amplitudenreduktion etabliert. Weist eine Hauptstruktur nichtlineares Verhalten auf, müssen auch die Tilger nichtlinear ausgelegt werden. Dabei können komplexe Phänomene wie amplitudenabhängige Frequenzverschiebungen, Sprungphänomene,innere Resonanzen sowie isolierte Lösungen in Frequenzgängen auftreten, die kritische Schwingungsamplituden erzeugen und dadurch die Struktur sogar gefährden können.Ziel dieser Arbeit war es, nichtlinearen Tilger-Hauptstruktur-Systeme mit Duffing-Charakteristik umfassend zu analysieren, optimale Parameter zu bestimmen, Grenzen der Tilgerwirkung aufzuzeigen und Risiken durch nichtlineare Effekte zu identifizieren.Zur Untersuchung nichtlinearer Schwingungen wurde ein echtzeitfähiger Hybrid-Testprüfstand entwickelt, der reale Tilger über ein geregeltes Übertragungssystem mit virtuellen Hauptstrukturen koppelt. So lassen sich nichtlineare Phänomene experimentell nachbilden, beliebig initialisieren und systematisch analysieren, ohne reale Strukturen zu gefährden. Die innovative hybride Analyse verbindet analytische Modellbildung, numerische Simulation einschließlich Stabilitäts und Bifurkationsanalyse sowie experimentelle Validierung und eröffnet damit einen integrativen Ansatz für Forschung und Anwendung.Die Arbeit zeigt, dass zahlreiche analytische und numerische Methoden zur Analyse nichtlinearer Phänomene existieren, experimentelle Untersuchungen jedoch bislang nur in geringem Maße verfügbar sind. Mit dem entwickelten Prüfstand kann diese Lücke teilweise geschlossen und zentrale Methoden validiert werden. Die numerischen Grundlagen umfassen die Shooting- und die Harmonische-Balance-Methode, das Bogenlängen-Fortsetzungsmethode sowie die Floquet-Theorie. Ergänzt durch Testfunktionen zur Identifikation von Bifurkationspunkten, gelingt eine zuverlässige Vorhersage und gezielte Untersuchung isolierter Lösungen.Die experimentellen Ergebnisse bestätigen, dass die optimalen Parameter der generalisierten Equal-Peak-Methode gut mit Versuchsdaten übereinstimmen. Darüber hinaus konnte erstmals gezeigt werden, dass isolierte Lösungen in Frequenzgangflächen durch simultane Anpassung von Erregeramplitude und -frequenz oder durch präzise Umschaltstrategien erreicht und analysiert werden können.Abschließend werden Einschränkungen und Perspektiven diskutiert, denn die physikalischen Grenzen des Übertragungssystems sowie die Beschränkung auf Strukturmodelle mit polynomialen Kennlinien begrenzen das Spektrum möglicher Anwendungen. Gleichzeitig verdeutlichen die Ergebnisse den praktischen Nutzen, etwa für die Entwicklung robuster Tilger und ihre Anwendung in Maschinenbau und Bauwesen. Perspektiven liegen in der Erweiterung auf Systeme mit mehreren Freiheitsgraden, der Analyse von Multi-Tilger-Konfigurationen sowie in fortgeschrittenen Regelungskonzepten.Insgesamt leistet die Arbeit einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung experimenteller Methoden der nichtlinearen Schwingungstechnik. Die Validierung der Equal-Peak-Methode und die erstmalige direkte, gezielte experimentelle Erreichung von isolierten Lösungen stellen zentrale wissenschaftliche und praktische Ergebnisse dar, die neue Wege für die robuste Auslegung und Optimierung nichtlinearer Schwingungstilger aufzeigen.